EP2412208B1

EP2412208B1 - Überspannungsschutz für ein busgerät

Info

Publication number: EP2412208B1
Application number: EP10705311.8A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Kohl; Manfred Heckmanns
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: EP2412208A1; PL2412208T3; CN102369789A; DE102009015068A1; CN102369789B; ES2433241T3; WO2010108580A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Busgerät mit einer elektronischen Schaltung, die über Zuleitungen mit einer Kleinspannungsschnittstelle verbunden ist, welche mindestens eine erste und eine zweite Anschlussklemme zum Anschluss einer Busleitung an die elektronische Schaltung aufweist, welche elektronische Schaltung eine Stromquelle umfasst, ein Steuerungssystem für mehrere verteilt angeordnete Verbraucher, insbesondere für Lampenbetriebsgeräte, sowie ein Bussystem, welches mehrere verteilt angeordnete und über eine Busleitung verbundene Busgeräte umfasst.
Als Kleinspannung werden in der Elektrotechnik üblicherweise Wechselspannungen bis 50 V Effektivwert und Gleichspannungen bis 120 V bezeichnet.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Busgeräte mit einer elektronischen Schaltung, Bussysteme und Steuerungssysteme für mehrere verteilt angeordnete Verbraucher bekannt.
Die DE 10 2006 033 673 A1 zeigt ein Lichtsteuerungssystem für ein Gebäude. Dabei wird jeder Leuchte im Gebäude ein Steuersystem zugeordnet. Die Übermittlung von Steuerbefehlen zu den einzelnen Leuchten bzw. den elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) der Leuchten erfolgt dabei gemäß dem sogenannten DALI-Standard. DALI steht für "digital adressable lighting interface". Es handelt sich hierbei um eine speziell von der Leuchtenindustrie entwickeltes 2-Draht-Bussystem zur Übermittlung digitaler Steuerbefehle, welche die Möglichkeit eröffnet, einzelne Leuchten ein- und auszuschalten, sowie Dimmbefehle zu übermitteln, um die Helligkeit nahezu stufenlos zu regeln. Dieser DALI-Standard hat sich in letzter Zeit immer weiter durchgesetzt, da hierdurch eine komfortable ferngesteuerte Beleuchtungssteuerung realisiert werden kann.
Zur Stromversorgung des DALI-Busses werden geeignete Stromquellen verwendet. Eine DALI-Stromquelle umfasst im einfachsten Fall eine Gleichspannungsquelle mit einer Leerlaufspannung von 11,5 V bis 20,5 V und einer integrierten Strombegrenzung auf maximal 250 mA. Damit können bis zu 64 an den DALI-Bus angeschlossene EVGs angesteuert werden, von denen jedes beispielsweise eine BUS-Stromaufnahme von maximal 2 mA hat. Der DALI-Bus umfasst weiter wenigstens ein Steuergerät, das die Steuerbefehle an die angeschlossenen EVGs übermittelt. Es sind Steuergeräte bekannt, bei denen die Stromquelle in dem Steuergerät integriert ist.
Die DE 10 2005 057 068 A1 zeigt ebenfalls ein Steuerungssystem zum Betreiben mehrerer verteilt angeordneter Verbraucher, insbesondere zum Betreiben von verteilt angeordneten Lampenbetriebsgeräten, an einem DALI-Bus.
Die WO 00/41287 A1 zeigt eine analoge 0 -10V - Schnittstelle, welche technisch nicht zur Verwendung in einem DALI-Bus-System geeignet ist. Es ist darin eine Schutzschaltung mit zwei hochohmigen Längswiderständen gezeigt, um im Fehlerfall, wenn an den Anschlüssen der Schnittstelle anstelle einer Datenleitung eine Netzleitung angeschlossen ist, den Strom, der in die Schaltung hineinfließt, auf einen tolerierbaren Wert zu begrenzen.
Die US 2008/0258551 A1 zeigt ein Beleuchtungskontrollsystem, welches DALI-Busleitungen und Baugruppen, die elektronische Lasten darstellen, und eine Baugruppe, die die Busstromversorgungseinheit darstellt, umfasst. Die Baugruppen, die elektronische Lasten darstellen, haben jeweils eine DALI-Kommunikationsschnittstelle mit einer Schutzschaltung zum Schutz gegen die irrtümliche Verwechslung von DALI-Busleitungen und Netzleitungen an den elektronischen Lasten. Dabei ist die in der US 2008/0258551 A1 gezeigte Schutzschaltung nur für den Schutz einer DALI-Kommunikationsschnittstelle geeignet, nicht für den Schutz einer DALI-konformen Stromversorgung. Das Schutzprinzip ist so, dass über die Verwendung eines Brückengleichrichters die Schutzschaltung nur bei positiver Überspannung wirkt. Bei Erkennung von positiver Überspannung wird dann ein Schalter geöffnet und die Anschlussklemmen sind hochohmig von der Schaltung getrennt.
Bei Gebäudebussystemen wie beispielsweise dem vorerwähnten DALI-Bus werden oft die Busleitungen in räumlicher Nähe zu den Versorgungsleitungen für die Stromversorgung mit 230V Netzspannung verlegt. Die beiden DALI-Steuerleitungen können gemeinsam mit den Netzleitungen in einem gemeinsamen Kabel geführt werden, dabei kann es bei der Installation irrtümlich zu einer Verwechselung von DALI-Steuerleitung und Netzleitung kommen. Es kann somit nicht ausgeschlossen werden, dass durch Unachtsamkeit bei der Installation der Busgeräte irrtümlich die Versorgungsleitung mit 230V Netzspannung an die Kleinspannungsschnittstelle, also die Anschlussklemmen zum Anschluss der Busleitung, angeschlossen wird. Dadurch würde dann dauerhaft eine hohe Überspannung an der Kleinspannungsschnittstelle anliegen. Ein solcher Installationsfehler würde ohne Schutzmaßnahmen das Busgerät irreparabel zerstören.
Es ist als Schutzmaßnahme bekannt, Kleinspannungsschnittstellen mit einer Kombination von Spannungs- und Strombegrenzem zu versehen. Spannungsbegrenzer sind beispielsweise Suppressordioden, die bei Überschreiten ihrer Nennspannung leitend werden. Der dann fließende Strom ist zu begrenzen, damit die Suppressordiode nicht thermisch zerstört wird.
Zur Strombegrenzung eignen sich beispielsweise Schmelzsicherungen, die jedoch bei Auslösen manuell ersetzt werden müssen.
Alternativ zu Schmelzsicherungen können selbst rückstellende Sicherungen verwendet werden, die zur Gruppe der Kaltleiter gehören, welche auch als PTC-Widerstand (Positive Temperature Coefficient) bezeichnet werden. Es handelt sich um Festkörperbauelemente. In einer Variante ist das Festkörpermaterial ein mit Kohlenstoff gefülltes und dadurch leitfähiges Polymer, weshalb eine selbst rückstellende Sicherung mit einem solchen Material auch als Polymer-PTC bezeichnet wird. Der elektrische Widerstand des PTC-Materials vergrößert sich mit steigenderTemperatur. Der Stromfluss durch das Element verursacht Joulsche Wärme, die zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur und damit des Widerstandes führt.
Wenn der Strom seinen zulässigen Wert übersteigt, überführt die Joulesche Wärme das Element in einen hovhohmigen Zustand, das heißt, das Element schaltet. In diesem Zustand nähert sich der Spannungsabfall am Sicherungselement der an dem Schaltkreis angelegten Spannung und der Strom erreicht wieder einen Wert weit unter dem zulässigen Wert. PTCs sind in ihrem Ansprechverhalten allerdings langsamer als Schmelzsicherungen. Dadurch wäre die verwendete Suppressordiode bis zum Auslösen des PTCs einer höheren thermischen Belastung ausgesetzt. Um den Spitzenstrom bei Auftreten der Störung zu begrenzen, muss der PTC auch im Normalbetrieb einen gewissen Widerstand aufweisen. Außerdem fließt auch im Sperrzustand ein Strom durch den PTC, der diesen im hochohmigen Zustand hält. Dadurch erwärmt sich der PTC im ausgelösten Zustand auf Temperaturen, die Werte von über 100°C erreichen können.
Im Normalbetrieb verursacht darüber hinaus der PTC einen Spannungsabfall proportional zu seinem Kaltwiderstand. Die dadurch verursachte Erwärmung ist zwar vernachlässigbar, aber der Spannungsabfall ist bei einer DALI-Stromquelle abhängig vom entnommenen Strom und beeinflusst die Nennspannung.
Ausgehend von den im Stand der Technik bekannten Lösungen ist es daher wünschenswert, ein DALI-Busgerät zu schaffen, bei dem die Stromquelle in dem Steuergerät integriert ist und das vor dauerhaft anliegenden hohen Überspannungen an seiner Kleinspannungsschnittstelle geschützt ist, wobei zur Gewährleistung des Schutzes in ungestörtem Zustand eine sehr geringe Verlustleistung anfällt. Auch im gestörten Zustand ist eine geringe Verlustleistung erwünscht. Weiterhin soll nach Wegfall der Überspannung innerhalb kurzer Zeit eine selbsttätige Rückstellung des Schutzes erfolgen.
Die Aufgabe der Schaffung eines vor dauerhaft anliegenden hohen Überspannungen an seiner Niederspannungsschnittstelle geschützten DALI-Busgerätes, bei dem die Stromquelle in dem Steuergerät integriert ist, wird durch ein Busgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein verbessertes Steuerungssystem für mehrere verteilt angeordnete Verbraucher, insbesondere für Lampenbetriebsgeräte, wird durch ein Steuerungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 geschaffen. Schließlich wird ein verbessertes Bussystem, welches mehrere verteilt angeordnete und über eine Busleitung verbundene Busgeräte umfasst, durch ein Bussystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bereitgestellt. Weiterbildungen der vorgenannten Gegenstände sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Schaltung eine Stromquelle und eine strombegrenzte Spannungsquelle zur Stromversorgung der Busleitung, wobei die elektronische Schaltung eine Steuerschaltung für die Erzeugung und/oder Verarbeitung eines digitalen Bussignals umfasst, wobei in der Zuleitung zwischen der elektronischen Schaltung und einer ersten Anschlussklemme eine erste Diode vorgesehen ist, die bei Anliegen einer Überspannung einer ersten Polarität an der Kleinspannungsschnittstelle sperrt, und wobei mit der Zuleitung zu der anderen Anschlussklemme eine Überspannungserkennungsschaltung verbunden ist, die mit einem ersten Schalter zusammenwirkt, so dass bei Anliegen einer Überspannung einer zweiten Polarität an der Kleinspannungsschnittstelle der erste Schalter die Stromquelle abschaltet.
Das erfindungsgemäße Busgerät wird als Bus-Stromquelle eingesetzt, beispielsweise als DALI-Stromquelle. Das erfindungsgemäße Busgerät wirkt dabei auch als Steuergerät für einen DALI-Bus. Die erfindungsgemäße Lösung definiert damit ein DALI-Steuergerät mit integrierter DALI-Stromversorgung. Wenn bei dem Busgerät gemäß der vorliegenden Erfindung die Stromquelle erfindungsgemäß abgeschaltet ist, ist das erfindungsgemäße Busgerät im Fall einer anliegenden Überspannung geschützt.
Damit ist ein Schutz vor dauerhaft anliegenden Überspannungen sowohl im Gleichals auch im Wechselstrombereich geschaffen. Wenn irrtümlich an die Niederspannungsschnittstelle eines erfindungsgemäßen Busgerätes die Versorgungsleitungen mit 230V Wechselspannung angeschlossen werden, so sperrt beispielsweise bei der positiven Halbwelle der 230 V Wechselspannung die erste Diode die Verbindung der elektronischen Schaltung zu der ersten Anschlussklemme. Bei der negativen Halbwelle ist die erste Diode in durchgeschaltetem Zustand, aber jetzt erkennt die Überspannungserkennungsschaltung das Anliegen einer Überspannung und veranlasst den ersten Schalter, die Stromquelle abzuschalten. Damit ist ein Schutz der elektronischen Schaltung vor dauerhaft anliegender Wechsel-Überspannung beider Polaritäten gewährleistet. Die Überspannungserkennungsschaltung arbeitet dabei im Ruhezustand leistungslos. Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung zum Schutz vor dauerhaft anliegender Überspannung erzeugt nur eine sehr geringe Verlustleistung aufgrund der Durchlassspannung der ersten Diode.
Selbstverständlich ist ein erfindungsgemäßes Busgerät auch vor dauerhaft anliegender Gleich-Überspannung geschützt. Bei positiver Gleich-Überspannung schützt wie oben im Zusammenhang mit der positiven Halbwelle einer Wechsel-Überspannung beschrieben, die erste Diode, bei negativer Gleich-Überspannung schützt, wie oben im Zusammenhang mit der negativen Halbwelle einer Wechsel-Überspannung beschrieben, die Überspannungserkennungsschaltung in Zusammenarbeit mit dem ersten Schalter.
Um die Überspannungserkennungsschaltung einfach zu gestalten ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Überspannungserkennungsschaltung ein Widerstands-Dioden-Netzwerk umfasst.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der erste Schalter ein hochspannungsfester Feldeffekttransistor. Damit kann die elektronische Schaltung durchgängig mit elektronischen Bauelementen aufgebaut werden, wie sie üblicherweise heutzutage bei der elektronischen Schaltungstechnik zum Einsatz kommen.
in einer Ausführungsform, in der das erfindungsgemäße Busgerät als Bus-Steuergerät mit integrierter Bus-Stromquelle funktioniert, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung zum Erzeugen einer Pegeländerung des digitalen Bussignals einen zweiten Schalter umfasst, und dass zum Schutz des zweiten Schalters vor Überspannungen eine zweite Diode vorgesehen ist. Der zweite Schalter kann beispielsweise so angeordnet sein, dass er in geschlossenem Zustand die beiden Anschlussklemmen auf annähernd gleiches Potential legt und damit am Niederspannungsausgang zwischen den beiden Anschlussklemmen einen einer logischen Null entsprechenden Spannungspegel erzeugt. In vorteilhafter Weise ist auch der zweite Schalter ein Feldeffekttransistor
Insbesondere da das erfindungsgemäße Busgerät als Bus-Steuergerät mit integrierter Bus-Stromquelle funktioniert, ist es vorteilhaft, wenn gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung das Busgerät einen Mikroprozessor umfasst, der mit der Steuerschaltung zusammenwirkt. Der Mikroprozessor kann beispielsweise den zweiten Schalter ansteuern, um digital kodierte Signale an die Busleitungen abzugeben. Die elektronische Schaltung kann darüber hinaus eine Eingangssignalerkennungsschaltung umfassen, mit der Signale erkannt werden, die von den angeschlossenen Busgeräten an das erfindungsgemäße Busgerät übermittelt werden. Auch die Eingangserkennungsschaltung wirkt in einer vorteilhaften Ausführungsform mit dem Mikroprozessor zusammen, so dass der Mikroprozessor über die Eingangserkennungsschaltung die von den Busgeräten gesandten Signale aufnehmen und verarbeiten kann.
Ein erfindungsgemäßes Steuerungssystem für mehrere verteilt angeordnete Verbraucher, insbesondere für Lampenbetriebsgeräte, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem wenigstens ein Busgerät mit einer elektronischen Schaltung, umfasst, die über Zuleitungen mit einer Kleinspannungsschnittstelle verbunden ist, welche mindestens eine erste und eine zweite Anschlussklemme zum Anschluss einer Busleitung an die elektronische Schaltung aufweist, welche elektronische Schaltung eine Stromquelle umfasst, und wobei in der Zuleitung zwischen der elektronischen Schaltung und einer ersten Anschlussklemme eine erste Diode vorgesehen ist, die bei Anliegen einer Überspannung einer ersten Polarität an der Kleinspannungsschnittstelle sperrt, und wobei mit der Zuleitung zu der anderen Anschlussklemme eine Überspannungserkennungsschaltung verbunden ist, die mit einem ersten Schalter zusammenwirkt, so dass bei Anliegen einer Überspannung einer zweiten Polarität an der Kleinspannungsschnittstelle der Schalter die Stromquelle abschaltet, sowie eine Busleitung, welche das Busgerät mit den verteilt angeordneten Verbrauchern verbindet.
Ein erfindungsgemäßes Bussystem, welches mehrere verteilt angeordnete und über eine Busleitung verbundene Busgeräte umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Busgeräte ein Busgerät mit einer elektronischen Schaltung ist, die über Zuleitungen mit einer Kleinspannungsschnittstelle verbunden ist, welche mindestens eine erste und eine zweite Anschlussklemme zum Anschluss einer Busleitung an die elektronische Schaltung aufweist, welche elektronische Schaltung eine Stromquelle umfasst, und wobei in der Zuleitung zwischen der elektronischen Schaltung und einer ersten Anschlussklemme eine erste Diode vorgesehen ist, die bei Anliegen einer Überspannung einer ersten Polarität an der Kleinspannungsschnittstelle sperrt, und wobei mit der Zuleitung zu der anderen Anschlussklemme eine Überspannungserkennungsschaltung verbunden ist, die mit einem ersten Schalter zusammenwirkt, so dass bei Anliegen einer Überspannung einer zweiten Polarität an der Kleinspannungsschnittstelle der Schalter die Stromquelle abschaltet.

Figurenbeschreibung

Figuren und Beschreibung dienen dem besseren Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigt:

Figur 1: ein Schaltschema einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Busgerätes
Figur 2: ein Schaltschema einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Busgerätes
Figur 3: ein Schaltschema einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Busgerätes

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Baugruppen oder Elemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Die Figur 1 zeigt schematisch den Schaltplan eines Busgerätes, welches als Steuergerät mit integrierter strombegrenzter Busspannungsversorgung arbeitet. Gezeigt ist schematisch eine elektronische Schaltung 1, die über Zuleitungen 14, 15 mit zwei Anschlussklemmen DA+ und DA- einer Kleinspannungsschnittstelle 2 verbunden ist und an eine Busleitung eines DALI-Busses angeschlossen werden kann.
Die elektronische Schaltung 1 umfasst eine Spannungsquelle 3, eine Stromquelle 4, einen ersten Schalter 12, der zwischen der Stromquelle 4 und der Anschlussklemme DA- angeschlossen ist, und einen Mikroprozessor 5. Der erste Schalter 12 kann besonders vorteilhaft ein hochspannungsfester Feldeffekttransistor sein, beispielsweise ein 1000V FET. Die Spannungsquelle 3 liefert 16V Gleichspannung, die im Ruhezustand zwischen den Anschlussklemmen DA+ und DA- anliegen und zur Versorgung von bis zu 64 DALI-EVGs, von denen jedes eine Stromaufnahme von ca. 2 mA hat, an dem DALI-Bus dient. Die Stromquelle 4, die als Strombegrenzungsschaltung funktioniert, begrenzt den Busstrom auf einen zulässigen Wert von max. 250 mA. Sowohl Schaltungen für Spannungsquellen und für die Strombegrenzung sind im Prinzip bekannt und sollen daher im Einzelnen hier nicht weiter beschrieben werden. Zwischen der elektronischen Schaltung 1 und der Anschlussklemme DA+ ist eine erste Diode 10 vorhanden, deren Wirkung weiter unten erläutert wird.
Während die Spannungsquelle 3 mit der Stromquelle 4 zur Stromversorgung des Busses dient, läuft in dem Mikroprozessor 5 das Steuerprogramm zur Ansteuerung der an den DALI-Bus angeschlossenen Geräte ab. Der Mikroprozessor 5 umfasst alle dazu benötigten Hard- und Softwarekomponenten, insbesondere CPU, Speicher und Register und Schnittstellenmodule. Der Aufbau und die Funktion eines Mikroprozessors, wie er hier für Steuerungszwecke eingesetzt ist, sind im Prinzip auch bekannt und sollen daher hier ebenfalls nicht näher beschrieben werden.
Die elektronische Schaltung 1 umfasst weiterhin einen Verbindungspfad zwischen den beiden Anschlussklemmen DA+ und DA-, der eine Reihenschaltung eines zweiten Schalters 6 und einer zweiten Diode 11 umfasst, wobei die zweite Diode 11 bei geschlossenem zweiten Schalter 6 und positivem Pegel an der Anschlussklemme DA+ in Durchlassrichtung gepolt ist.
Zum Senden eines Low-Pegels auf dem DALI-Bus steuert der Mikroprozessor 5 über eine erste Steuerleitung 8 den zweiten Schalter 6 an, so dass dieser schließt und damit die Anschlussklemmen DA+ und DA- auf nahezu gleiches Potential legt. Der zweite Schalter 6 ist hier vorteilhafterweise durch einen Feldeffekttransistor realisiert, der von dem Mikroprozessor 5 durchgeschaltet wird.
Wenn ein Busgerät einen Low-Pegel über den Bus sendet, dann schließt dieser Low-Pegel an der Niederspannungsschnittstelle 2 die beiden Busleitungen gewissermaßen kurz. Dabei wird die Anschlussklemme DA- auf das Potential von DA+ gelegt. Über die Eingangssignalerkennungsschaltung 7, welche im einfachsten Fall durch einen Spannungsteiler realisiert ist, wird dies erkannt, ein entsprechendes Signal von der Eingangssignalerkennungsschaltung 7 wird dem Mikroprozessor 5 über eine zweite Steuerleitung 9 zugeführt, so dass der Mikroprozessor 5 einen Low-Pegel, der von einem Busgerät gesendet wird, erkennen kann.
Wenn der zweite Schalter 6 geöffnet ist, liegt zwischen den beiden Anschlussklemmen DA+ und DA- ein High-Pegel, sofern kein EVG einen LOW-Pegel sendet und der entnommene Strom unter 250mA liegt.
Zwischen der Anschlussklemme DA+ und dem zweiten Schalter 6 ist die erste Diode 10 geschaltet, und zwischen der Anschlussklemme DA- und dem zweiten Schalter 6 die zweite Diode 11.
Schutz gegen eine dauerhaft anliegende Überspannung, hervorgerufen beispielsweise durch versehentlichen Anschluss von Netzspannung, erfordert auch, dass die Schaltung hinsichtlich der EMV-Festigkeit die Anforderung von Netzanschlüssen erfüllen muss. Hierzu ist zwischen den Anschlussklemmen DA+ und DA- ein Varistor 16 geschaltet, der die auftretenden Spitzenspannungen bei Leitungsstörungen (Surge und Burst) auf +/-800V begrenzt. Daher muss die dahinter liegende Elektronik für Überspannungen bis +/-800V ausgelegt sein. Aus diesem Grund haben die verwendeten Dioden 10, 11 eine Sperrspannung von 1000V und der Schalter 12, wenn er als Transistor realisiert ist, in dem hier beschriebenen Beispiel eine Sperrspannung von 800V.
Wenn eine positive Überspannung zwischen DA+ und DA- anliegt, so sperrt die erste Diode 10 und schützt die elektronische Schaltung 1 insgesamt.
Wenn eine negative Überspannung zwischen DA+ und DA- anliegt, so leitet die erste Diode 10, aber die zweite Diode 11 sperrt und schützt damit zunächst den zweiten Schalter 6. Die Stromquelle 4 arbeitet zunächst normal weiter und begrenzt den Strom. An der Anschlussklemme DA- ist eine Überspannungserkennungsschaltung 13 angeschlossen. Über eine Steuerleitung 17 steht die Überspannungserkennungsschaltung 13 in Verbindung mit dem ersten Schalter 12. Wenn die negative Überspannung zwischen DA+ und DA- über einen durch die Dimensionierung der Überspannungserkennungsschaltung vorgebbaren Schwellwert, beispielsweise 16 V, ansteigt, veranlasst die Überspannungserkennungsschaltung 13 über den ersten Schalter 12 das Abschalten der Stromquelle 4.
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Funktionalität anhand eines schematischen Blockschaltbildes. In einer praktisch ausgeführten elektronischen Schaltung könnte die Überspannungserkennungsschaltung 13 ein Spannungsteiler aus Widerständen und Dioden mit einem nachgeschalteten Transistor sein, der mit dem Gate eines den ersten Schalter 12 realisierenden N-Kanal-Feldeffekttransistors verbunden ist. Bei Erkennen von Überspannung könnte die Überspannungserkennungsschaltung das Gate des Transistors gegen sein Drain-Potential ziehen. Im Ergebnis wirkt dies wie eine Trennung der Stromquelle 4 von der Anschlussklemme DA- .
Die Überspannungserkennungsschaltung 13 soll bei Anliegen der Netzspannung von 230 VAC nur einen geringen Strom aufnehmen, der über Masse, im folgenden auch als GND für "Ground" bezeichnet und die Diode 10 zurück fließt, so dass keine oder nur eine geringe Erwärmung auftritt. Im vorliegenden Beispielfall beträgt der Eingangswiderstand der Überspannungserkennungsschaltung mehr als 1,2 MegaOhm. Die dann dadurch erzeugte Verlustleistung, die nur bei der negativen Halbwelle auftritt, beträgt nur wenige mW, beispielsweise < 30mW.
Im Normalbetrieb verursacht die erste Diode 10 aufgrund ihrer Durchlassspannung einen konstanten Spannungsabfall von ca. 0,8V, der aber durch eine höhere Leerlaufspannung der Spannungsquelle kompensiert werden kann.
Die Überspannungserkennungsschaltung 13 arbeitet im Ruhezustand leistungslos. Sie umfasst, wie bereits erwähnt, Widerstände, Zenerdioden und wirkt mit einem FeldeffektTransistor zusammen. Sie versorgt sich nur aus der zweiten Anschlussklemme DA- bei Anliegen der negativen Halbwelle einer Überspannung. Im Normalbetrieb, wenn die Busleitung richtig angeschlossen ist und keine Überspannung an der Kleinspannungsschnittstelle 2 anliegt, ist die Stromaufnahme Null. Erst bei anliegenden Überspannungen über 16V fließt Strom in die Überspannungserkennungsschaltung 13 hinein. Der Eingangswiderstand beträgt dann ca. 1,2 MegaOhm. Die Überspannungserkennungsschaltung 13 ist mit dem hohen Eingangswiderstand so dimensioniert, dass sie eine Ansprechträgheit im Bereich einiger Millisekunden besitzt. Sie spricht daher nicht bei transienten, schnellen Überspannungsspitzen an, sondern erst bei einer länger anliegenden Überspannung.
Wenn die positive Halbwelle der Überspannung nicht mehr anliegt, so wird die erste Diode 10 sofort wieder leitend. Wenn die negative Überspannung nicht mehr anliegt, dann schaltet die Überspannungserkennungsschaltung den Schalter 12 nach einer Verzögerung von einigen Millisekunden, typischerweise 50..100 ms, wieder ein. In der oben beschriebenen praktisch ausgeführten elektronischen Schaltung wird das Gate des Feldeffekttransistors nicht mehr gegen sein Drain-Potential gezogen. Dadurch arbeitet der Feldeffekttransistor wieder in seiner Funktion als Stromquelle.-Im Ergebnis wirkt dies wie eine Verbindung der Stromquelle 4 mit der Anschlussklemme DA. Der Überspannungsschutz stellt sich nach Wegfall der Überspannung also selbsttätig wieder zurück.
Die Eingangserkennungsschaltung 7 ist ebenfalls hochohmig ausgeführt (> 1,2MegaOhm), so dass auch dort bei Anschluss von 230V Überspannung weniger als 30mW an Verlustleistung entstehen.
Die Anordnung umfassend die Dioden 10 und 11, die Überspannungserkennungsschaltung 13 und den Schalter 12 kann man auch als eine verteilte elektronische Hilfsschaltung betrachten, die in die Endstufe eines Busgerätes integriert ist. Sie überwacht die Spannung zwischen den beiden Anschlussklemmen DA+ und DA- und trennt im Fehlerfall die Klemmen vom übrigen Teil der Schaltung ab. Die Schaltung arbeitet sowohl im Normalbetrieb als auch im Fehlerfall nahezu leistungslos, die Verlustleistung beträgt weniger als 100 mW. Die Schaltung schützt die Endstufe und damit die elektronische Schaltung des Busgerätes unabhängig von der Betriebsbereitschaft des Steuergerätes. Die Schutzwirkung ist unabhängig davon, ob der Mikrocontroller 5 aktiv ist oder nicht, d.h. die Schutzwirkung wird rein durch schaltungstechnische Maßnahmen erzielt und ist unabhängig von Software.
Zusammenfassend behandelt die vorliegende Erfindung einen Überspannungsschutz für ein Busgerät mit einer elektronischen Schaltung, insbesondere eine DALI-Stromversorgung bzw. ein DALI-Steuergerät mit integrierter Stromversorgung. Vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung sind, dass der Überspannungsschutz sich nach Wegfall der Überspannung selbsttätig wieder zurückstellt, dass im Überspannungsfall weniger als 100mW Verlustleistung erzeugt wird, so dass es zu keiner nennenswerten Wärmeentwicklung kommt, dass damit das Busgerät ohne Einschränkung dauerhaft an Überspannung angeschlossen sein darf und die EMV-Richtlinien für Netzleitungen erfüllt
Die Ausführungsform gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, dass die Überspannungserkennungsschaltung 13 auch mit der Zuleitung 14 zu der ersten Ausgangsklemme DA+ verbunden ist. Dadurch ist es ermöglicht, dass die die Überspannungserkennungsschaltung auch bei einer Überspannung, die als positive Gleichspannung anliegt, abschaltet.
Die Ausführungsform nach Figur 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch, dass eine Schaltungsanordnung hinzugefügt ist, die dafür sorgt, dass beim Schließen des zweiten Schalters 6 keine unerwünschte Spannungserhöhung an der Klemme DA+ entsteht, hervorgerufen durch die Leitungskapazität 25 und die Diode 10.
Diese Schaltungsanordnung umfasst eine zweite Stromquelle 21 als Strombegrenzungsschaltung, einen dritten Schalter 22 und eine Koppelschaltung 20. Die Koppelschaltung umfasst einen Koppelkondensator 23 und einen Ableitwiderstand 24 gegen das Bezugspotential der Schaltung. In einer praktisch ausgeführten elektronischen Schaltung sind die zweite Stromquelle 21 und der dritte Schalter 22 ähnlich aufgebaut wie die Stromquelle 4 und der erste Schalter 12. Die zweite Stromquelle 21 umfasst einen N-Kanal-Feldeffekttransistor. Der dritte Schalter 22 ist dann hier ein N-Kanal-Feldeffekttransistor, dessen Gate mit der Überspannungserkennungsschaltung 13 verbunden ist.
Der dritte Schalter 22 ist im Normalbetrieb geschlossen. Ist der zweite Schalter 6 geöffnet, so lädt sich die Leitungskapazität auf Nennspannung auf. Wird der zweite Schalter 6 geschlossen, dann wird der Punkt A bei DA+ auf die doppelte Nennspannung angehoben, weil die erste Diode 10 in Sperrrichtung gepolt ist und eine schnelle Entladung der Leitungskapazität 25 verhindert. Die Entladung der Leitungskapazität könnte ohne zusätzliche Maßnahmen unter Umständen so langsam erfolgen, dass der Signalverlauf bezüglich der vom DALI-Protokoll geforderten Flankensteilheit beeinträchtigt werden könnte.
Die Schaltungsanordnung umfassend die zweite Stromquelle 21 als Strombegrenzungsschaltung, den dritten Schalter 22 und die Koppelschaltung 20 dient dazu, die Entladung der Leitungskapazität zu beschleunigen. Beim Schließen des zweiten Schalters 6 wird über den Koppelkondensator 23 die zweite Stromquelle 21 eingeschaltet, über die sich die Leitungskapazität 25 entladen kann. Der Ableitwiderstand 24 entlädt den Koppelkondensator 23 mit der Zeitkonstante des RC-Netzwerkes 23, 24 und sorgt somit dafür, dass die zweite Stromquelle 21 nicht während der gesamten Einschaltzeit des zweiten Schalters 6 eingeschaltet bleibt, sondern nur solange, bis die Klemmen DA- und DA+ auf gleichem Potential liegen. In einer praktisch ausgeführten elektronischen Schaltung hebt der Koppelkondensator 23 beim Schließen des zweiten Schalters 6 zunächst das Potential am Gate des N-Kanal-Feldeffekttransistors der zweiten Stromquelle 21 an und schaltet diese dadurch ein. Wenn beim anschließenden Entladen des Koppelkondensators 23 über den Widerstand 24 das Potential an dem Gate des Feldeffekttransistors der zweiten Stromquelle 21 wieder unter den entsprechenden Schwellwert gesunken ist, sperrt der Feldeffekttransistor wieder und die zweite Stromquelle 21 ist ausgeschaltet. Dadurch wird erreicht, dass die zweite Stromquelle 21 nicht während der ganzen Einschaltzeit des zweiten Schalters 6 die Spannungsquelle 3 belastet, sondern nur solange, bis die Klemmen DA- und DA+ auf gleichem Potential liegen. Die Koppelschaltung 20 ist ein passives RC - Netzwerk, welches keine externe Spannungsversorgung benötigt.
Der dritte Schalter 22, ein N-Kanal-Feldeffekttransistor, ist ebenso mit der Überspannungserkennungsschaltung 13 verbunden wie der erste Schalter 12. Bei Erkennung von Überspannung zieht die Überspannungserkennungsschaltung das Gate des Feldeffekttransistors 22 unter dessen Source-Potential und sperrt damit den Transistor. Im Ergebnis wirkt dies wie eine Trennung der Stromquelle 21 von der Anschlussklemme DA+ .
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen, sondern nur als exemplarische Beispiele zu betrachten. Beispielsweise könnte in der Ausführungsform nach Fig. 3 der dritte Schalter 22 mit einer weiteren Überspannungserkennungsschaltung verbunden sein. Die ersten und dritten Schalter 12, 22 können auch anders als mit Feldeffekttransistoren realisiert sein, beispielsweise durch Relais oder andere mechanische Schaltelemente, so dass eine galvanische Trennung erzielt wird.

Bezugszeichenliste

1: elektronische Schaltung
2: Niederspannungsschnittstelle
3: Spannungsquelle
4: Strombegrenzungsschaltung
5: Mikroprozessor
6: zweite Schalter
7: Eingangssignalerkennungsschaltung
8: erste Steuerleitung
9: zweite Steuerleitung
10: erste Diode
11: zweite Diode
12: erster Schalter
13: Überspannungserkennungsschaltung
14: Zuleitung
15: Zuleitung
16: Varistor
17: Steuerleitung
20: Koppelschaltung
21: zweite Stromquelle
22: dritter Schalter
23: Koppelkondensator
24: Ableitwiderstand
25: Leitungskapazität

Claims

Busgerät mit einer elektronischen Schaltung (1), die über Zuleitungen mit einer Kleinspannungsschnittstelle (2) verbunden ist, welche mindestens eine erste und eine zweite Anschlussklemme (DA+, DA-) zum Anschluss einer Busleitung an die elektronische Schaltung (1) aufweist, weiche elektronische Schaltung (1) eine Stromquelle (4) umfasst, wobei die elektronische Schaltung (1) eine strombegrenzte Spannungsquelle (3) zur Stromversorgung der Busleitung umfasst, wobei die elektronische Schaltung (1) eine Steuerschaltung für die Erzeugung und Verarbeitung eines digitalen Bussignals umfasst, wobei in der Zuleitung zwischen der elektronischen Schaltung (1) und einer ersten Anschlussklemme (DA+) eine erste Diode (10) vorgesehen ist, die bei Anliegen einer Überspannung einer ersten Polarität an der Kleinspannungsschnittstelle (2) sperrt, und wobei mit der Zuleitung zu der anderen Anschlussklemme (DA-) eine Überspannungserkennungsschaltung (13) verbunden ist, die mit einem ersten Schalter (12) zusammenwirkt, so dass bei Anliegen einer Überspannung einer zweiten Polarität an der Kleinspannungsschnittstelle (2) der erste Schalter (12) die Stromquelle (4) abschaltet.
Busgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungserkennungsschaltung (13) ein Widerstands-Dioden-Netzwerk umfasst.
Busgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (12) ein hochspannungsfester Feldeffekttransistor ist.
Busgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung zum Erzeugen einer Pegeländerung des digitalen Bussignals einen zweiten Schalter (6) umfasst, und dass zum Schutz des zweiten Schalters (6) vor Überspannungen eine zweite Diode (11) vorgesehen ist.
Busgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Busgerät einen Mikroprozessor (5) umfasst, der mit der Steuerschaltung zusammenwirkt.
Busgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Busgerät eine Schaltungsanordnung umfasst mit einer zweiten Stromquelle 21, einem dritten Schalter 22 und einer Koppelschaltung 20, um die Entladung der Leitungskapazität einer angeschlossenen Busleitung zu beschleunigen
Steuerungssystem für mehrere verteilt angeordnete Verbraucher, insbesondere für Lampenbetriebsgeräte, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem wenigstens ein Busgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und eine Busleitung umfasst, welche das Busgerät mit den verteilt angeordneten Verbrauchern verbindet.
Bussystem, welches mehrere verteilt angeordnete und über eine Busleitung verbundene Busgeräte umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Busgeräte ein Busgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.